大口径天线在深空测控任务中的应用

1、大口径天线在深空测控任务中的应用大口径天线在深空测控任务中的应用主要内容主要内容n1 研究背景研究背景n2 美国深空测控网（美国深空测控网（DSN）n3 FAST与深空测控与深空测控n4 结论结论1 研究背景研究背景随着我国航天事业的稳步发展，特别是嫦娥系列月球探测随着我国航天事业的稳步发展，特别是嫦娥系列月球探测卫星的成功发射，下一步势必开展更多的深空探测任务。由于卫星的成功发射，下一步势必开展更多的深空探测任务。由于测量距离遥远，目前我国的航天测控手段还不能满足要求。测量距离遥远，目前我国的航天测控手段还不能满足要求。1 研究背景研究背景大口径天线是深空测控网的核心部件之一。作为探月天文大

2、口径天线是深空测控网的核心部件之一。作为探月天文观测站，观测站，“嫦娥一号嫦娥一号”使用云南昆明使用云南昆明40米口径和北京密云米口径和北京密云50米口米口径射电望远镜。径射电望远镜。2012年，喀什测控站已增建天线口径达到年，喀什测控站已增建天线口径达到35米的米的测控设备，佳木斯测控站建设天线口径达到测控设备，佳木斯测控站建设天线口径达到64米的大型深空测控米的大型深空测控设备改造扩建工程已完成。目前正在南美洲地区建设第三个拥有设备改造扩建工程已完成。目前正在南美洲地区建设第三个拥有大口径天线的深空测控站，这些深空测控站具备大口径天线的深空测控站，这些深空测控站具备S、X和和Ka等等3个个

3、频段功能的测控和数据接收能力。其中，频段功能的测控和数据接收能力。其中，64米站可完成我国探月米站可完成我国探月二、三期以及火星探测等深空测控任务，是我国第一套深空测控二、三期以及火星探测等深空测控任务，是我国第一套深空测控站，其作用距离约站，其作用距离约4亿公里。亿公里。1 研究背景研究背景FAST是是500米口径球面射电望远镜米口径球面射电望远镜的简称，是中国为国际的简称，是中国为国际SKA建设所做的建设所做的努力和贡献。作为努力和贡献。作为Arecibo类型射电望远类型射电望远镜的一种，镜的一种，FAST具有具有3个突出的特点：喀个突出的特点：喀斯特地形作为站址、灵活的主反射面，以斯特地

4、形作为站址、灵活的主反射面，以及基于索驱动的及基于索驱动的2级精调馈源系统。级精调馈源系统。FAST投入运行后，能否能在国际上投入运行后，能否能在国际上以较大的天区覆盖和照明面积对深空测控以较大的天区覆盖和照明面积对深空测控网进行较好的补充？网进行较好的补充？2 美国深空测控网（美国深空测控网（DSN）DSN由由NASA喷气推进实验室喷气推进实验室(JPL)开发并管理，是世界上最开发并管理，是世界上最大、最灵敏的测控通信网。大、最灵敏的测控通信网。DSN主要为主要为NASA的深空探测器提供跟踪、数据获取和通信的深空探测器提供跟踪、数据获取和通信服务。此外，服务。此外，DSN还用于收集射电科学、

5、射电天文、甚长基线干还用于收集射电科学、射电天文、甚长基线干涉仪涉仪(VLBI)和行星雷达等领域的科学数据，并用于支持大椭圆轨和行星雷达等领域的科学数据，并用于支持大椭圆轨道道(HEO)航天器的发射和早期轨道段航天器的发射和早期轨道段(LEOP)，以及在紧急情况下，以及在紧急情况下为低地球轨道为低地球轨道(LEO)任务提供支持。任务提供支持。2.1 DSN组成组成深空网深空网DSN由三个经度相差由三个经度相差120。的地面综合地面站组成，即。的地面综合地面站组成，即加州的戈而德斯墩、澳大利亚的加州的戈而德斯墩、澳大利亚的堪培拉和西班牙的马德里。每个堪培拉和西班牙的马德里。每个地面站均有多个大型

6、抛物面天线地面站均有多个大型抛物面天线和相关设备组成，其中大天线口和相关设备组成，其中大天线口径分别为径分别为64m(目前已经扩展为目前已经扩展为70m)、34m和和26m。2.2 DSN的天线设计的天线设计深空网天线的设计要折衷深空网天线的设计要折衷考虑两个因素：既要使天线尽可考虑两个因素：既要使天线尽可能多地接收来自远方的无线电信能多地接收来自远方的无线电信号，又要少接收来自周围地面的号，又要少接收来自周围地面的杂散噪声。杂散噪声。20世纪世纪70年代的年代的“双形双形(dualshape)”设计方案可以大设计方案可以大大改进天线的性能。大改进天线的性能。2.2 DSN的天线设计的天线设计

7、20世纪世纪90年代中期，年代中期，DSN建造了新的建造了新的34m天线天线(34m BWG)。这些新的天。这些新的天线采用双形设计方案以及射线采用双形设计方案以及射束波导束波导(BWG)技术。射束波技术。射束波导采用一系列附加副反射器，导采用一系列附加副反射器，将焦点移到天线下的固定房将焦点移到天线下的固定房间内。间内。2.3 DSN的工作频段的工作频段目前目前DSN支持支持S、X和和Ka三个工作频段。三个工作频段。2.4 DSN天线组阵技术天线组阵技术所谓天线组阵技术就是利用分布在不同地点的多个天线组成所谓天线组阵技术就是利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列，接收来自同一深空探测器的信

8、号，并将各个天线接收天线阵列，接收来自同一深空探测器的信号，并将各个天线接收的信号进行合成，从而获得所需的高信噪比接收信号。的信号进行合成，从而获得所需的高信噪比接收信号。“旅行者旅行者2号号”在在20世纪世纪80年代后期抵近天王星和海王星时，就是依靠深空年代后期抵近天王星和海王星时，就是依靠深空网的地面天线组阵来提高返回的数据量。在抵近天王星时，位于网的地面天线组阵来提高返回的数据量。在抵近天王星时，位于澳大利亚堪培拉的澳大利亚堪培拉的70m天线与相距近天线与相距近180km处的一个处的一个64m天线组成天线组成阵列。在抵近海王星时，天线组阵通过戈尔德斯顿的阵列。在抵近海王星时，天线组阵通过

9、戈尔德斯顿的70m天线和天线和2个个34m天线与新墨西哥州中部超大规模阵列的天线与新墨西哥州中部超大规模阵列的27个直径个直径25m天线来天线来实现。实现。3 FAST与深空测控与深空测控FAST是是500米口径球面射电望远镜的简称，是中国为国际米口径球面射电望远镜的简称，是中国为国际SKA建设所做的努力和贡献。建设所做的努力和贡献。 FAST对天文学的影响将是重大的，对天文学的影响将是重大的，也必将影响其它自然科学。其科学目标包括中性氢测量、脉冲星也必将影响其它自然科学。其科学目标包括中性氢测量、脉冲星观测、星际介质分子探测、甚长基线干涉测量、寻找外星生命。观测、星际介质分子探测、甚长基线干

10、涉测量、寻找外星生命。FAST的通用技术指标如下：（的通用技术指标如下：（1）反射面半径）反射面半径300m，口径，口径500m，有效照明口径，有效照明口径300m；（；（2）工作频率）工作频率70MHz5GHz，改造，改造升级后最高可达升级后最高可达8GHz；（；（3）定向时间为）定向时间为10min。3 FAST与深空测控与深空测控3 FAST与深空测控与深空测控3 FAST与深空测控与深空测控以以“旅行者旅行者”号航天器为例号航天器为例f8.4GHZ P21.3WG6500011R6.8 10 m则地球上接收天线的功率通量密度为则地球上接收天线的功率通量密度为2192/ 42.383 10W /PGRm若用若用DSN中中64m口径天线来接收信号，则接收信号功率为口径天线来接收信号，则接收信号功率为16P3.05 10rrA若采用若采用FAST天线进行接收，则接收信号功率天线进行接收，则接收信号功率14P1.86 10rrA信号的接收能力提高了信号的接收能力提高了2个量级！个量级！4 总结FAST站址处于站址处于DSN网的间隙，而且有巨大的口径和有效照网的间隙，而且有巨大的口径和有效照明口径。若将此天线建造成为深空测控通信系统，可对